теплообменники
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

Современные технологические решения при разработке топочно-горелочных устройств

 

к.т.н. В.М. Соболев, генеральный директор ЗАО «ЭКОТОП», г. Санкт-Петербург

 

1. Введение

До настоящего времени основной упор в тепло-электроэнергетике был сделан на строительстве и вводе новых мощностей. Однако, с не меньшей остротой стоит проблема модернизации действующего оборудования, которое требует не меньших финансовых затрат.

Причем сама специфика организации управления энергетической отраслью в России, по сути дела, мало соответствует требованиям современных технических решений - инноваций.

Это отчетливо видно в конкурсных представлениях на выполнение тех или иных работ, направленных, в основном, на минимизацию затрат, отсутствие учета износа оборудования, что не позволяет в экономических расчетах учесть необходимость инноваций.

Поэтому нередко хозяйствующие субъекты в своих действиях опираются преимущественно только на сию минутные финансовые интересы. Выбор оборудования делается на основе приблизительной экспертной оценки: по принципу похожести условий работы оборудования и других подобных критериях, или на покупке зарубежного оборудования, которое не всегда согласуется с отечественным газоиспользующим или не прошло достаточной апробации.

Подобное чревато серьезными последствиями, особенно в условиях мирового кризиса.

Несмотря на видимые относительно высокие затраты на математическое моделирование процессов горения, данные расходы с лихвой окупаются за счет повышения экономичности работы данной котельной установки, увеличения надежности работы котельно-топочного оборудования, следствием чего является увеличение выработки тепла и электроэнергии, снижение затрат на ремонт и восстановление оборудования.

Значительное снижение вредных выбросов токсичных и парниковых газов в атмосферу способствует улучшению экологической обстановки окружающей среды

 

Рис. 1 Расчётная сетка (1 359 756 конечных объёмов)

 

 

2. Математическая модель и метод численного решения

Численное моделирование горения метана в топке Сургутской ГРЭС-2 выполняется средствами программного комплекса Ansys CFX 11.0, который позволяет проводить численный расчёт турбулентных реагирующих течений в условиях сложной геометрии (по оригинальной методике, разработанной к.ф-мат.н. Ю.К. Шиндлер, к.ф-мат.н. С.В. Лупуляк).

. В расчётах используется многопроцессорный кластер лаборатории «Прикладная математика и механика» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (24 двухъядерных процессора AMD Opteron 248), а также мощные однопроцессорные рабочие станции.

Построение расчётной сетки в области с существенно разномасштабными конструктивными элементами (рис. 1) выполнено средствами Ansys ICEM CFD 11.0. В связи с большой сложностью геометрии расчётной области, для её триангуляции была использована технология так называемых композитных структурированных сеток. Данная технология заключается в том, что расчётная область разбивается на отдельные подобласти, которые триангулируются независимо друг от друга, а затем при расчёте данные передаются между подобластями при помощи интерполяции. Построенная расчётная сетка содержит 1 359 756 конечных объёмов (рис. 2, 3, 4).

В расчётной области методом конечных объёмов решается система уравнений Навье-Стокса, описывающая течение газа, и уравнения переноса химических компонентов и энтальпии смеси. Поле температуры определяется с учётом состава и энтальпии смеси. Система решается в существенно дозвуковом приближении. В численных расчётах будет использована SST модель турбулентности и модель дробления вихрей для расчёта турбулентного диффузионного пламени.

Перенос теплового излучения рассчитывается методом дискретного переноса с 32 лучами. Для описания спектральных свойств продуктов сгорания используется модель взвешенной суммы серых газов с тремя серыми и одним прозрачным «газом». Образование оксида азота моделируется с учётом теплового и быстрого механизмов.

 

 

 

 

Рис. 2 Фрагмент расчётной сетки в разрезе

 

 

 

 

Рис. 3 Расчётная сетка в одной горелке

 

 

Рис. 4. Расчетная сетка на завихрителях и газораспределительных трубках

 

 

3. Результаты расчётов

3.1. Структура факела

На рис. 5, 6, 7 приведены осредненные вектора скорости, линии токов как вблизи горелок, так и в топке, поля средних температур.

При разработке организации топочного процесса учитывалась необходимость обеспечения также равномерного заполнения топки (см. рис. 7 и 8).

Однако усреднение, помогая увидеть в целом развитие топочного процесса, не позволяет понять как взаимодействуют горелки в самом процессе горения.

Рассмотрим взаимодействие струй, исходящих из горелок, находящихся на противоположных стенках топки.

На рисунке 9 представлены отдельно линии тока, исходящие из горелок каждого яруса, причём линии тока, исходящие из горелок на одной стенке, окрашены в красный цвет, а на другой – в синий. Видим, что потоки первого яруса образуют многочисленные вихри в нижней части топочного пространства, тогда как из второго и третьего ярусов потоки идут почти вертикально вверх.

На рисунке 10 отдельно приведены линии тока, исходящие из горелок, находящихся напротив друг друга. Взаимодействие носит крайне сложный характер.

На рисунке 11 приведены линии тока, окрашенные по температуре, исходящие из горелок нижнего яруса, расположенных на одной и на другой стенке.

На рисунке 12 представлены изоповерхности 5% массовой доли метана. Из рисунка 12 б) (вид снизу) видно, что длина факелов нижнего яруса существенно различна. На каждой стенке третий слева факел (если смотреть внутрь топки) короче остальных. Это является результатов взаимодействий встречных потоков.

На рисунке 13 приведены изоповерхности температуры 1973 и 2073 Кельвина.

Характер распределения температур в плоскостях, проходящих через горелки, можно видеть из рис. 14. Характер горения виден из рис. 15, 16.

Образование NOx (r=0), рис. 17, практически заканчивается над верхними горелками приблизительно на уровне 1,5м. При этом содержание NO по плоскостям над уровнями горелок распределяется следующим образом:

- над нижним ярусом горелок (α=1) – 222мг/нм3;

- над средним ярусом горелок (α=1) – 279мг/нм3;

- над верхним ярусом горелок (α=1) – 386мг/нм3.

Расчет показал снижение NOx без рециркуляции газов против проектных (штатных) горелок более, чем в два раза. Предварительный анализ показывает снижение NOx рециркуляцией газов до 125мг/нм3 (α=1,4).

В настоящее время осуществляются расчеты с учетом факторов, влияющих на образование NOx.

 

 

Рис. 5 Нормированные вектора скорости, окрашенные по модулю скорости

Рис. 6 Линии тока вблизи горелок

а) б)

Рис. 7 Поле температуры (а) и линии тока, окрашенные по температуре (б)

Рис. 8 Изоповерхности 5% массовой доли CH4, окрашенные по температуре

 

 

 

Рис. 9 Взаимодействие струй на разных ярусах горелок

 

 

 

Рис. 10 Взаимодействие противоположных струй

Рис. 11 Линии тока, исходящие из горелок, расположенных на одной стороне топки, окрашенные по температуре

а)

б)

Рис. 12 Изоповерхности 5% массовой доли метана, окрашенные по массовой доле CO2

а) б)

Рис. 13 Изоповерхности температуры: a) 1973 K; б) 2073 K

 

 

4. Практическое применение.

Реконструкция двух котлов ПК-33 с применением горелок ЗАО «ЭКОТОП» позволила повысить КПД брутто котла более, чем на 1,5% и экономить в среднем до 1,5 тыс. куб. метров газа в час (рис. 18), что за год составляет экономию более 10 млн. куб. метров газа.

Имеет место высокая устойчивость воспламенения и горения.

Содержание оксидов азота в уходящих газах (приведенное к коэффициенту избытка воздуха 1,4 и NO2), снизилось до 80-90мг/нм3 (см. рис. 19), что значительно ниже требований норм на предельно допустимые выбросы оксидов азота.

О характере факела можно судить по приведенной фотографии (см. фото и рис. Х. и видео).

Положительный опыт в 1998-2007гг был получен на 9-и котлах ТГ-104 Сургутской ГРЭС-1, для двух из которых было применено математическое моделирование.

В результате установки горелок ГМПВ-50 существенно улучшились характеристики факела, что позволило увеличить степень рециркуляции газов с 7% до 15% без ухудшения экономичности котла в целом. Причем в эксплуатационном режиме КПД вырос на 0,5-1%.

Температура металла труб боковых и заднего экранов в районе ядра факела снизилась в зависимости от модификации котлов на 200-500С и не превышала 3900-4050С, при qFя=1,79Гкал/м2ч, что свидетельствовало об отсутствии активного воздействия факела на экраны топки, наблюдавшегося ранее.

Содержание NOx (α=1,4) в уходящих газах на номинальной нагрузке при α”кпп=1,05-1,07 и r=15% степень рециркуляции составило 85-125мг/нм3.

До модернизации горелок эта величина достигала 450-550мг/нм3.

Горелки ЗАО «ЭКОТОП» по эффективности подавления NOX, как видно из рис. 20, превосходят аналогичные фирмы «Todd-Combustion».

Подобный результат был получен также на котлах БКЗ-220 и «Шихау» Новомосковской ГРЭС.

Установка горелок типа ГМПВ позволила, несмотря на ступенчатую схему организации топочного процесса, повысить КПД на этих котлах на 3% до 94,5-94,7%. Содержание NOx (α=1,4) составило менее 120мг/нм3.

К настоящему времени на котле БКЗ-210 Киров ТЭЦ-4 достигнут КПД-95% при D=260т/ч, NOx – до 100мг/нм3.

Горелки работают надежно и эксплуатируются на многих котлах более 10-15 лет.

Воспламенение и горение – плавное при отсутствии вибрационного режима горения.

Другим примером может служить реконструкция 2-х коллов ДКВР-10 МУП «Выборгские тепловые сети» с установкой одной горелки типа ГМПВ вместо двух ГМГ-5М, которая показала существенное улучшение технико-экономических показателей: условный расход топлива снизился на 2-3кг для 1 Гкал/ч, NOx‹ 125мг/нм3, (рис. 21) (NOx приведен к NO2 и α=1,4).

Топочный процесс отличался высокой устойчивостью.

Базой создания математической модели послужил опыт, полученный ранее на ряде котлов типа ПТВМ, ДЕ, ДКВР, ТГМП-314, ТГМП-344 и другие.

Реконструкция котла ПТВМ-30М, выполненная при сотрудничестве с ОАО «Дорогобужкотломаш», «Сургут-ОРГРЭС», была связана с серьезным недостатком, вызванным достаточно частым повреждением труб экранов топки в зоне ядра факела.

Реконструкция заключалась в замене существующих шести горелок ДКЗ на две ГМПВ-20 с их встречно-смещенной установкой на боковых стенках топки.

Коэффициент избытка воздуха при нагрузках котла 16-35 Гкал/час на выходе из топки составил 1,02-1,03 без продуктов химического недожога (см. рис. 22).

При рассогласовании горелок на 25% Р1/Р2=1020/2310 оптимальный коэффициент избытка воздуха практически остался неизменным (α=1,03), СО практически отсутствовало.

Заметно сокращено образование «парниковых газов» СО2 и NO2. Содержание оксидов азота по сравнению с замерами до реконструкции на подобном котле снизилось в 1,5-2 раза (рис. 23) и составляло 130-160мг/нм3. Котел ПТВМ-30 легко растапливается и управляется.

При рассогласовании горелок NOx – до 100мг/нм3.

Котел ПТВМ-30 ЗАТО «Снежногорск» на мазуте также показывал надежную и экономичную работу.

Реконструкция котла ПТВМ-30 Выборгтеплоэнерго позволила с установкой горелок ГМПВ-25 увеличить теплопроизводительность котла до 47Гкал/ч при обеспечении высоких технологических показателей. Горелки работают надежно и устойчиво.

Воспламенение и горение носит устойчивый характер.

О работе других котлов можно судить по данным, приведенным в таблице, откуда следует, что котлы работают экономично при безопасном уровне NOx как на газе, так и на мазуте.

Таблица

 

Наименование газ/мазут Тип горелки Кол-во на котел Мощность горелки, МВт Р'гкПа NOx,

 

мг/нм3

СО ppm КПД (%) (номинал)
ДКВР-4 ГМПВ-4 1 2,7/3,1 2,4/500 100/250 0 91,2/88,3
КВГМ-4,65-115 ГМПВ-6А 1 5 15 105 0 92,8
ДЕ-6,5 ГМПВ-6 1 4,6 23/1200 125/250 0 90,7/89,7
ДКВР-20/13 ГМПВ-6 3 5 20/1350 125/250 0-100 93/92,1
ПТВМ-100 ГМПВ (б)-8 16 8,0 35 125 0 -
ПТВМ-180 ГМПВ (б) 20 10 22 125 0 -
ДКВР-10/13 ГМПВ-13н 1 9 2,7 115 0 93,1
ПТВМ-30 ГМПВ-20 2 20 10/23

 

Р12

2000

100

 

130-160

250

0

 

0

0

91,7

 

 

α=1,15

ДЕ-25 ГМПВ-20 1 19 21 100-130 0 92,5
КВГМ-100 ГМПВ-30 4 30 20 125-165 0 92,7
КВГМ-100 ГМПВ-40м 3 40 32 125-135 0 93,4

 

Примечание: NOx приведено к NO2 и α=1,4

Увеличение затрат на производство теплоэлектроэнергии за счёт роста топливной составляющей всё в большой степени подталкивает потребителей к использованию местного или альтернативного топлива – например торф, отходы переработки и т. д.

С нашей стороны по предложению Заказчика было разработано топочно-горелочное устройство для сжигания генераторного (продукт-газа) и выполнено соответствующее мат. Моделирование, которое наглядно представлено на приводимых рисунках (рис. П1 – П7).

 

За 21 год по разработкам ЗАО «ЭКОТОП» было реконструировано 97 котлов с установкой 637 прямоточно-вихревых горелок конструкции Соболева В.М. общей тепловой мощностью 15790 МВт (справа).

Горелки ЗАО «ЭКОТОП» защищены патентами.

В частности, патентно-защищенными решениями являются: принятые направления газовых струй, из которых часть, по меньшей мере, направлена вдоль оси горелок, а другая направлена под углом к оси канала горелки; в том числе направление струй, организованных путем чередования газовых трубок, а также соотношение сечений между аксиальным завихрителем и периферийным каналом горелки.

 

 

a) Плоскость №1 б) Плоскость №2 в) Плоскость №3

г) Плоскость №4 д) Плоскость №5 е) Плоскость №6

Рис. 14. Поля температуры в вертикальных сечениях

a) Плоскость №1 б) Плоскость №2 в) Плоскость №3

г) Плоскость №4 д) Плоскость №5 е) Плоскость №6

Рис. 15. Концентрации кислорода в вертикальных сечениях, проходящих через оси горелок

a) Плоскость №1 б) Плоскость №2 в) Плоскость №3

г) Плоскость №4 д) Плоскость №5 е) Плоскость №6

Рис. 16. Концентрации углекислого газа в вертикальных сечениях,
проходящих через оси горелок

 

 

 

 

 

 

а) Плоскость №16

б) Плоскость №17

в) Плоскость №18

Рис. 17. Поля концентраций NO в горизонтальных сечениях

 

Образование NOx (r=0) Над нижним ярусом горелок (α=1) – 222мг/нм3

 

Над средним ярусом горелок (α=1) – 279мг/нм3

Над верхним ярусом горелок (α=1) – 386мг/нм3

Образование NOx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 18. Расход природного газа котла ПК-33

Fig.18. Due gas of boiler PK-33 (steam capacity D=620 t/h)

-before reconstruction

-after reconstruction

 

 

 

 

 

 

Рис. 19. Выбросы окислов азота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 20. Влияние технологических параметров на образование NOx

 

 

 

 

Рис. 21. Котел ДКВР-10-13 с одной горелкой

 

 

 

Рис. 22. Коэффициент избытка воздуха в конвективной шахте

 

 

 

Рис. 23. ПТВМ-30 поселка Белый Яр

 

 



 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица

 

Наименование газ/мазут Тип горелки Кол-во на котел Мощность горелки, МВт Р'гкПа NOx,

 

мг/нм3

СО ppm КПД (%) (номинал)
ДКВР-4 ГМПВ-4 1 2,7/3,1 2,4/500 100/250 0 91,2/88,3
КВГМ-4,65-115 ГМПВ-6А 1 5 15 105 0 92,8
ДЕ-6,5 ГМПВ-6 1 4,6 23/1200 125/250 0 90,7/89,7
ДКВР-20/13 ГМПВ-6 3 5 20/1350 125/250 0-100 93/92,1
ПТВМ-100 ГМПВ (б)-8 16 8,0 35 125 0 -
ПТВМ-180 ГМПВ (б) 20 10 22 125 0 -
ДКВР-10/13 ГМПВ-13н 1 9 2,7 115 0 93,1
ПТВМ-30 ГМПВ-20 2 20 10/23

 

Р12

2000

100

 

130-160

250

0

 

0

0

91,7

 

 

α=1,15

ДЕ-25 ГМПВ-20 1 19 21 100-130 0 92,5
КВГМ-100 ГМПВ-30 4 30 20 125-165 0 92,7
КВГМ-100 ГМПВ-40 3 40 32 125-135 0 93,4

 

Примечание: NOx приведено к NO2 и α=1,4

 

 

Рис. П1. Поле модуля скорости на плоскости 1 (расчёт в CFX)

 

 

 

 

 

 

 

 

temp1

Рис. П2. Поле температуры на плоскости 1 (расчёт в CFX)

 

 

 

 

Рис. П3. Поле давления на плоскости 1 (расчёт в CFX)

 

 

 

Рис. П4. Изоповерхности массовой доли CH4 равной 0.003, окрашенные по температуре (расчёт в CFX)

 

 

 

 

 

 

Плоскость 1 Плоскость 2

Рис. П5. Поле концентрации монооксида углерода на продольных сечениях (расчёт в CFX)

 

 

 

Рис. П6. Поле концентрации монооксида азота на продольных сечениях (расчёт в CFX)

 

 

 

 

Справка

За 21 год по разработкам ЗАО «ЭКОТОП» были реконструированы 97 котлов с установкой 637 прямоточно-вихревых горелок конструкции В.М.Соболева общей тепловой мощностью 15790 МВт. Применение горелок позволило в значительной мере решить проблему обеспечения экологической безопасности при надежной и экономичной работе котлов.

№ п/п РЕКОНСТРУИРОВАНО ЗА 1991-2011
Марка котла Тепловая мощность котла, МВт Кол-во котлов, шт. Кол-во горелок, шт. Мощность одной горелки, МВт
1

 

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

 

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

ПТВМ-100

 

ТГМ-96

ТГМ-96Б

ТГМП-314

ПТВМ-180

БКЗ-75

ДЕ-25 (Водогрейный)

ПК-19

Бенсон-Дюрр

4-х барабанный ЛМЗ

ТГМП-344

Борзиг

ТП-230

ТГ-104

ДКВР-20

“Шухов-Берлин”

(водогрейный)

ДЕ-25

ПТВМ-50

ПТВМ-30

ПТВМ-30

ДЕ-6.5

БКЗ-220

ДКВР-4

ДКВР-10

ДКВР-10

БКЗ-420

БГМ-35

СМ 20/22

КВГМ-4.65

КВГМ-11,63

КВГМ-58,2

КВГМ-100

КВГМ-100

ПК-33

“Шихау”

БКЗ-210

ГМ-50

120

 

330

330

730

210

70

8

120

60

95

730

69

160

520

15

 

8

20

58

40

52

5

150

6

11

11

320

34

16

5

10

58

120

120

485

153

150

35

5*

 

6

1*

4*

1*

2*

2

1

1

1

2

1*

1*

9

11

 

1

10

2

3*

1*

3

1

6

2

1

1

2

2

1

1

1

2

3

2

1

1

2

80

 

108

6

64

20

8

2

4

4

4

32

4

4

108

33

 

2

10

24

6

2

3

6 (4/2)

12

1

2

8

8

4

1

1

2

8

9

24

12

4

8

8

 

20

60

50

12

20

8

30

15

25

50

20

40

50

6

 

4

20

5,5

20

25

5

13/40

3

13

6

40

10

10

5

13

31

30

40

50

14

45

10

Итого: 15790 97 637

NOx – на газе меньше 125 мг/м3, на мазуте < 250 мг/м3.

 

* - тангенциальная компоновка горелок

 

Рис. П7. Число котлов, реконструированных по разработкам ЗАО «Экотоп»

 

 

 

Резюме:

Главным достижением от применения прямоточно-вихревых горелок типа ГМПВ является существенно повышение экономичности и надежности работы котлов при глубоком снижении (до 90%) выбросов оксидов азота.

Применение горелок типа ГМПВ характеризуется:

· повышение КПД от 0,5 до 4% в зависимости от типа и мощности котла,

· значительным повышением надежности труб экранов топки и других поверхностей котла,

· практическим отсутствием вибрационного режима горения и шума, что снижает рост присосов, уменьшающих экономичность котла,

· устойчивым воспламенением и горением,

· долговечностью и безопасностью самих горелок (свыше 10 лет без ремонта).

Полученные результаты существенно превышают аналогичные, достигнутое на других подобных котлах.

При этом не требуется значительных финансовых вложений.

Разработанная математическая модель отмечена дипломами Российской академии наук (прилагаются).

 

 

В.М. Соболев, Современные технологические решения при разработке топочно-горелочных устройств

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения", № 10 (146), октябрь, 2012, www.ntsn.ru

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи:

Программы Auditor